鐵鎳納米晶的性能及其在金剛石工具制造上的應(yīng)用
一.引言
鐵鎳納米晶具有良好的燒結(jié)活性，其工藝性能和使用性能，取決于納米多晶結(jié)構(gòu)，納米晶粒尺寸越細(xì)，燒結(jié)活性越高。為了讓鐵鎳納米晶在粉末冶金過(guò)程中充分發(fā)揮其特別功能，需要比較全面的系統(tǒng)研究和廣大用戶探索。鐵鎳納米晶的氧含量對(duì)燒結(jié)溫度和燒結(jié)密度的影響很大，只是和“常規(guī)”情況相反，氧含量越高，壓制性越好，燒結(jié)密度越高，燒結(jié)溫度越低，抗彎強(qiáng)度越高，硬度影響不大。對(duì)鋒利度的影響不大，對(duì)耐磨性的影響很大，對(duì)壓制性的影響很大。一個(gè)反常規(guī)的東西才可能是一個(gè)創(chuàng)新，它是納米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)使然。采用鐵鎳納米晶與低熔點(diǎn)合金配合做配方可以在700℃左右安全性良好的耐磨胎體，可以更好調(diào)整金剛石工具的鋒利度和耐磨性及工作恒穩(wěn)性，它將改變金剛石制造的主流工藝，進(jìn)一步提高中國(guó)金剛石工具的性價(jià)比。
二.實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)采用SM/3熱壓機(jī)燒結(jié)，燒結(jié)溫度范圍在600℃-840℃之間，保溫4分鐘，壓力為20KN，研究鐵鎳納米晶及其使用在配方中的胎體密度、硬度、抗彎強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度變化規(guī)律。
采用排水法測(cè)定胎體密度，采用HR-150DT洛氏硬度儀檢測(cè)胎體硬度，使用標(biāo)準(zhǔn)為HRB，采用DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)胎體抗折強(qiáng)度，跨距為28mm。
鐵鎳納米晶的粉末結(jié)構(gòu)形貌如圖1：
Fe80Ni20納米晶在還原過(guò)程中聚集成微米級(jí)的小顆粒。FAM1010的粒度峰值D50約35微米左右，SEM照片取到的是一個(gè)粉末表面的形貌，它說(shuō)明這個(gè)大顆粒是由許多小顆粒在高溫還原的過(guò)程中粘接聚集起來(lái)的。這樣的結(jié)構(gòu)，粉末的流動(dòng)性和壓制性肯定不錯(cuò)，燒結(jié)過(guò)程低熔點(diǎn)合金容易填充顆粒間的縫隙，從而形成性能均勻的胎體。FAM1021的形狀更復(fù)雜，呈現(xiàn)出多種形狀，主體粉末結(jié)構(gòu)依然是細(xì)小顆粒粘接而成，宏觀粒度尺寸亦小，但依然有很好的流動(dòng)性，成形性能更好。燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn)表明，燒結(jié)溫度比FAM1010低50℃，比單質(zhì)鐵粉低100℃左右。FAM1032宏觀粒度尺寸細(xì)小，松裝密度小，比表面積大，性能穩(wěn)定，適合做高檔工具和激光焊接過(guò)渡層。FAM1041鐵鎳錳硅磷合金，則能確保刀頭形狀和鋒利度俱佳。
考查不同型號(hào)鐵鎳納米晶對(duì)燒結(jié)工藝的影響，采用的配方考慮了還原鐵粉不超過(guò)35%時(shí)對(duì)工藝穩(wěn)定性影響較小的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，因而使用了超細(xì)鐵粉。考查氧含量和鋒利劑的影響使用的配方如下：
配方g 25%FAM1000，12%電解銅粉，25%超細(xì)鐵粉，32%還原鐵粉，3%錫，3%FAM1041
配方k 25%FAM1000，12%電解銅粉，25%超細(xì)鐵粉，30%還原鐵粉，3%錫，5%FAM1041
三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 不同氧含量對(duì)性能的影響
還原前為10微米粒徑的粉末，還原后不同氧含量的產(chǎn)品分為：FAM1020 0.5%，F(xiàn)AM1021 1.0% ，F(xiàn)AM1022 1.5%
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和客戶的使用情況，F(xiàn)AM1022+Cu即可制造高耐磨性和長(zhǎng)壽工具，并且鋒利度很好。
從燒結(jié)曲線看，F(xiàn)AM1022和我們?cè)缙诘目蛻粽f(shuō)是鴉片的SB-1的性能一致，硬度能做到高于110HRB，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1600MPa以上，但不再有790-850℃的一個(gè)平臺(tái)，說(shuō)明鐵鎳納米晶保留了，我們確實(shí)炸開了原來(lái)的蜂窩。燒結(jié)溫度降低了，是納米多晶存在的應(yīng)用價(jià)值所在。這也是我們可以做低溫?zé)Y(jié)配方秘訣。相反，F(xiàn)AM1020氧含量低，幾乎沒(méi)有代鈷功能，只比羰基鐵粉之類的超細(xì)粉末強(qiáng)化胎體功能強(qiáng)一點(diǎn)，燒結(jié)溫度和目前市場(chǎng)上流行的粉末倒是很匹配。這是TF20有一定市場(chǎng)空間的原因。FAM1021的性能接近FAM1022，說(shuō)明氧含量大于1%后，氧含量的影響變得不敏感。
3.2 FAM1020、FAM1021、FAM1022在同一配方中的表現(xiàn)
圖3 不同配方性能對(duì)比圖
在配方g中的表現(xiàn)，鐵鎳納米晶的氧含量對(duì)燒結(jié)溫度和燒結(jié)密度的影響很大，只是和“常規(guī)”情況相反，氧含量越高，壓制性越好，燒結(jié)密度越高，燒結(jié)溫度越低，抗彎強(qiáng)度越高，硬度影響不大。也就是說(shuō)對(duì)鋒利度的影響不大，對(duì)耐磨性的影響很大，對(duì)壓制性的影響很大。一個(gè)反常規(guī)的東西才可能是一個(gè)創(chuàng)新，它是納米結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)使然。
3.3 粒度尺寸的影響
圖4 不同粒度尺寸性能影響對(duì)比圖
FAM1010、TF20還原前的粒度峰值是30微米，氧含量分別是1%和0.5%，F(xiàn)AM1020、FAM1021、FAM1022都是10微米。燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們常說(shuō)的粗一點(diǎn)像鎳，細(xì)一點(diǎn)像鈷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。粒度細(xì)的硬度高一點(diǎn)，強(qiáng)度低一點(diǎn)，粒度越細(xì)，燒結(jié)溫度越低。在這個(gè)配方體系，納米多晶更容易和硅錳磷成形硬脆合金。
3.4 FAM1041的用量影響
圖5 不同F(xiàn)AM1041的用量性能影響對(duì)比圖
FAM1041的用量對(duì)胎體性能的影響，反應(yīng)極其敏感。增加一點(diǎn)FAM1041胎體立即變得硬脆。并且確實(shí)可以大大減少銅用量，阻止錫的流失，提高工藝穩(wěn)定性，提高鋒利度。它將是我們的產(chǎn)品走進(jìn)千家萬(wàn)戶的利器。
3.5 低溫?zé)Y(jié)配方的研究
選取量組有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)討論低溫?zé)Y(jié)配方的設(shè)計(jì)方法，用鐵鎳納米晶和低熔點(diǎn)合金組合構(gòu)成FAM3010，微調(diào)FAM3010配方添加錳合金形成FAM3012，兩者都非常鋒利，耐磨性則差別很大。
FAM3010用到鉆頭等要求耐磨性好的工具中，提高鋒利度而不影響耐磨性。FAM3012則是提高磨邊輪鋒利度及其胎體對(duì)金剛石的把持力的好材料。
FAM3010的組成 FeCu25Ni14Sn2P2
FAM3012的組成 FeCu30Ni12Sn4.5Mn2.4P2.5
圖6 低溫?zé)Y(jié)性能影響對(duì)比圖
從多次多組燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，成分差別對(duì)胎體性能的影響大，但工藝穩(wěn)定性，胎體性能穩(wěn)定性非常好，這些優(yōu)點(diǎn)都來(lái)自低溫液相合金化更均勻，更穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)整配方成分，我們可以從FAM3012到FAM3010之間制造各種適合目前市場(chǎng)需求的胎體配方。燒結(jié)溫度在720-780℃之間，并且具有很好的工藝性能和使用性能。
3.6.鐵鎳納米晶與霧化粉末配合使用
用鐵鎳納米晶FAM1022和含錫高銅熔點(diǎn)較低的霧化粉末制備兩個(gè)通用配方lfgp和lfpt，它們的成分組成和基本性能如下。
（1）lfgp成分組成Cu39Ni5Sn 4P 1Fe（余量）理論密度8.079 g /cm3松裝密度2.7-2.9 g /cm3
氧含量0.6- 0.8%
（2）lfpt成分組成Cu27Ni5Sn 4P 1Fe（余量）理論密度7.861 g /cm3松裝密度2.7-2.9 g /cm3氧含量0.6- 0.8%
燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，680℃時(shí)，lfgp和lfpt的燒結(jié)體就都可以獲得
圖7 鐵鎳納米晶與霧化粉末配合使用性能影響對(duì)比圖
100HRB左右的硬度，800MPa以上的抗彎強(qiáng)度，燒結(jié)溫度達(dá)到800℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度都能達(dá)到1100MPa以上，繼續(xù)提高燒結(jié)溫度，兩者的硬度繼續(xù)緩慢升高，lfpt的抗彎強(qiáng)度繼續(xù)升高，但lfgp的抗彎強(qiáng)度開始緩慢下降。相對(duì)而言，lfgp會(huì)比lfpt更鋒利。從它們的組成看，lfgp是一個(gè)中性配方，lfpt是一個(gè)耐磨型配方，都可以幫助單質(zhì)粉配方提高硬度和強(qiáng)度，增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的把持力。適合于提高各類金剛石工具的綜合性能。
3.7.鋒利型工具的開發(fā)
鐵鎳納米晶在較低溫度條件下開始熔化，液相鐵鎳優(yōu)先親潤(rùn)金剛石表面，并且在胎體內(nèi)部能夠形成一個(gè)牢固的骨架，我們?cè)谥圃熳凿J性胎體或使用粘結(jié)材料時(shí)就不會(huì)破壞胎體對(duì)金剛石的把持力，從而確保金剛石工具具有令人滿意的吃入高度和使用壽命。
FAM2020和FAM2021就是按照這個(gè)思路設(shè)計(jì)，得到了客戶迅速認(rèn)可和廣泛使用。這里我們以兩款可以用于磨邊輪或者大刀頭的配方供大家參考：
燒結(jié)曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
四.結(jié)論
1、能夠大幅度降低燒結(jié)溫度才是納米多晶，鐵鎳納米晶能夠在較低燒結(jié)溫度條件下獲得高強(qiáng)度金剛石工具胎體。
2、FAM1022，保留了納米顆粒間的氧化膜，阻止了納米顆粒的長(zhǎng)大，納米特性最強(qiáng)，它可以在較低的溫度下熔化親潤(rùn)金剛石表面，提高胎體對(duì)金剛石的把持力，當(dāng)鐵鎳納米晶用量能夠成為胎體中的骨架時(shí)，選用低熔點(diǎn)的粘結(jié)材料或脆性材料，即可用效調(diào)整胎體的耐磨性，而不影響胎體對(duì)金剛石的把持力。從而確保金剛石工具具有令人滿意的吃入深度和使用壽命，使得配方體系變得更加簡(jiǎn)單，制造工藝變得更加穩(wěn)定。
3、鐵鎳納米晶能夠使微量元素的作用變得更敏感，同時(shí)又更穩(wěn)定。FAM1041，即鐵鎳錳硅磷合金，可以保證自由燒結(jié)工具的尺寸只有厚度方向收縮，可以減少配方中銅的用量，從而大大降低金剛石工具制造成本。
4、用鐵鎳納米晶做配方時(shí)，只要考慮納米結(jié)構(gòu)的影響比氧含量及粒度的影響大多了，就能明白它對(duì)工藝穩(wěn)定性的作用，選擇燒結(jié)溫度匹配的粘結(jié)劑即可做出性價(jià)比高的金剛石工具。
5、目前本產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越成熟，應(yīng)用面的范圍也越來(lái)越廣泛。但隨著市場(chǎng)需求的變化，一個(gè)替代價(jià)位很高或較高的需求也越來(lái)越明顯。本產(chǎn)品正是這類原料很好的替代品，相信它越來(lái)越會(huì)引起金剛石工具企業(yè)更多的關(guān)注。
